BAB III PERANCANGAN PROSES

BAB III PERANCANGAN PROSES 3.1 Uraian Proses 3.1.1 Dasar Reaksi Proses pembuatan Sodium thiosulfat pentahidrat (Na 2 S 2 O 3. 5 H 2 O) ini berlangsung didalam reaktor alir tangki berpengaduk (RATB) tanpa menggunakan katalis pada suhu 80 o C dan tekanan 1 atm. Reaksi antara larutan sodium sulfit dengan sulfur dengan rasio mol yaitu 1 : 4. Na 2 SO 3 (aq) + S(s) Na 2 S 2 O 3 (aq) 3.1.2 Langkah Proses Proses pembentukan sodium thiosulfate pentahydrat dibagi menjadi 3 tahap : 1. Tahap Penyiapan Bahan Baku Sodium sulfit disimpan dalam Gudang Penyimpanan Sodium Sulfit dan Sulfur disimpan dalam Gudang Penyimpanan Sulfur pada kondisi 30 C dan 1 atm. Sodium sulfit 99% dari gudang (G- 01) diangkut menggunakan Screw Conveyor (SC-01) menuju Hopper (H-01). Dari hopper (H-01) sodium sulfit kemudian diumpankan menuju Tangki Pelarut (TP-01) untuk dilarutkan dengan sejumlah air proses pada suhu 30 C dan tekanan 1 atm 21

22 dengan rasio mol sodium sulfit dan air proses adalah 1 : 22. Larutan sodium sulfit dipanaskan dalam Tangki Pelarut (TP-01) kemudian dialirkan dengan pompa menuju Reaktor (R-01). Powder sulfur 99,95% darii Gudang Penyimpanan Sulfur (G-02) diumpankan menggunakan Screw Conveyor (SC-02) menuju hopper (H-02) untuk kemudian diumpankan menuju Reaktor (R- 01). 2. Tahan Pembuatan Produk a. Tahap Reaksi Di dalam Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (R-01) terjadi reaksi sulfur dan sodium sulfit menghasilkan sodium thiosulfate berlangsung pada fase padat-cair selama 1 jam dengan konversi 99% pada tekanan 1 atm dan suhu 80 C serta bersifat eksotermis, sehingga diperlukan media pendingin. Perbandingan mol Sodium Sulfit dengan Sulfur yaitu 1 : 4. Reaksi yang terjadi di Reaktor adalah sebagai berikut : Reaksi : Na2SO3(aq) + S(s) Na2S2O3(aq) b. Tahap pembentukan Na 2 S 2 O 3 Dari reaksi di Reaktor terbentuk sodium thiosulfate dan sisa reaktan. Larutan hasil keluar reaktor tersebut kemudian di pompa

23 menuju Centrifuge (CF-01) untuk dipisahkan antara filtrate dan cake pada suhu 70 C dan tekanan 1 atm. Filtrat yang sudah terpisah diumpankan menuju Evaporator (EV-01) sedangkan cake kembali ke reaktor sebagai recycle. c. Tahap Pembentukan Na 2 S 2 O 3. 5 H 2 O Filtrat yang keluar dari Centrifuge (CF-01) diumpankan ke Evaporator (EV-01) pada suhu 110 C dan tekanan 1 atm dipekatkan menjadi 60% agar kondisinya jenuh dengan mengurangi kadar airnya. Hasil dari Evaporator berupa uap air dan hasil bawah berupa larutan jenuh. Kemudian dikristalkan membentuk Sodium Thiosufat Pentahidrat dalam Crystallizer (CR- 01) pada suhu 48 C dan tekanan 1 atm. 3. Tahap Pemurnian Produk Hasil Kristal Sodium thiosulfat pentahidrat yang terbentuk dipisahkan dari cairannya dengan Centrifuge (CF-02) pada suhu 38 C dan tekanan 1 atm. Filtrat dari Centrifuge (CF-02) tersebut menuju Unit Pengolahan Lanjut. Kristal Sodium thiosulfat pentahidrat yang sudah terpisahkan dipindahkan ke Rotary Dryer (RD-01) dengan suhu udara panas dan tekanan 1 atm untuk mengurangi kandungan air yang terikut saat pemisahan di Centrifuge (CF-01) kemudian kristal dengan kemurnian 99,9%

24 diangkut menggunakan Screw Conveyor (SC-03) menuju Hopper (H-03) kemudian dpacking dan disimpan dalam gudang produk (G- 03). 3.1.3 Sifat Reaksi a. Tinjauan Termodinamika Untuk mengetahui apakah reaksi pembentukan Sodium Thiosulfate berjalan secara eksotermis atau endotermis, maka dapat dilakukan dengan menghitung entalpi reaksi total ( H reaksi ). (Yaws C.L,1999) H 1 Reaktan pada T=353K H 2 Produk T= 353 K Na 2 SO 3 H 298 Reaksi di reaktor : Na 2 SO 3 (aq) + S(s) Na2S2O3(aq) H 298 K = Hf produk - Hf reaktan Data energi pembentukan ( H f ) pada suhu 25 0 C (Lange s, 1934) sebagai berikut :

25 Hf Na2SO3 Hf S H f Na 2 S 2 O 3 = -1115,87 Kj/mol = 0 Kj/mol = -1132,40 Kj/mol H 298 K = (1. H f Na 2 S 2 O 3 ) (1. H f Na 2 SO 3 + 1. H f S) = (-1132,4) (-1115,87 + 0) = -16,53 Kj/mol = -16530 J/mol Jadi reaksi pembuatan Sodium Thiosulfate merupakan reaksi eksotermis karena nilai Hf 0 reaksi negatif. Untuk mengetahui reaksi berjalan secara spontan atau tidak spontan maka dapat dihitung/lihat energi bebas gibbs. Berikut keterangan : GR< 0 kkal/mol = Reaksi pasti terjadi 0 < GR<50 kkal/mol = Reaksi mungkin terjadi GR> 50 kkal/mol = Reaksi tidak mungkin terjadi Data G r pada suhu 25 0 C diperoleh dari Lange s Handbook of Chemistry G r Na 2 SO 3 = -1010,44 Kj/mol G r S = 0 Kj/mol G r Na 2 S 2 O 3 = -1046 Kj/mol

26 G298 K = (1. G f Na 2 S 2 O 3 ) (1. G f Na 2 SO 3 + 1. G f S = (-1046) (-1010,44 + 0) = -35,56 Kj/mol = -8534,4 kal/mol G353 K = -R.T ln K 1 = -1,987 kal/mol.k. 353 K 13,3283 = -9348,6162 kal/mol Dari harga G 353 K maka disimpulkan bahwa reaksi pasti terjadi dan bersifat spontan. Untuk mengetahui apakah reaksi ireversible atau reversible maka dapat ditinjau dari harga kesetimbangan. Berikut perhitungan untuk mencari harga K R = 1,987 kal/mol.k T = 298 K G298 K = -8534,4 kal/mol ln K 298k = = = 14,4132

27 K 298k = 2,6681 ln K 353k ln K 298k = * + ln K 353k = * + = * + = 13,3293 K 353k = 614337,6656 Harga konstanta kesetimbangan reaksi (K>1) pada suhu 80 0 C dengan demikian reaksinya bersifat irreversible. b. Tinjauan Kinetika Data yang didapat dari literatur sebagai berikut : a) Kondisi Operasi : 80 O C, 1 atm (US Patent 1,219,819) b) Waktu Reaksi : 2 jam (US Patent 1,219,819) c) Rasio mol Na 2 SO 3 :S:H 2 O : 1 : 4 : 22 (US Patent 1,219,819) d) Konversi : 99 % (Kiek&Othmer, 1964) Reaksi di reaktor : Na2SO3(aq) + S(l) Na2S2O3(aq) Secara kinetika persamaan reaksi diatas dapat dituliskan sebagai berikut

28 A + B C Berdasarkan Jurnal Penelitian Department of General and Inorganic Chemistry, Indian Institute of Science, Bangalore The Reaction Between Sodium Sulphite and Sulphur bahwa reaksi termasuk reaksi heterogen berorde 1 dengan rasio mol Na 2 SO 3 : S adalah 1 : 4 dimana sodium sulfit sebagai limiting reaktan. Persamaan kinetika -r A = k. C A Neraca mol terhadap A Rin Rout+ Rgen = Racc V A.C Ao V A.C A + (-r A.V) = Stoikiometri Tabel 3.1 Neraca Massa Reaktor Komponen Mula-mula Reaksi Sisa A NAo -NAo.XA NAo. (1-XA) B NBo -NAo.XA NBo-NAo.XA C - + NAo.XA + NAo.XA Karena memakai RATB maka V=Vo C B = = ( ) =

29 C A = = Maka : -r A = = Kombinasi Steady state maka V A.C Ao V A. C Ao.(1-X A ) = k. C Ao.(1-X A ). V V A.C Ao V A. C Ao + V A. C Ao. X A = k. C Ao. (1-X A ). V 1.2 Spesifikasi Alat k = 49,5 jam -1

210 3.2.1 Alat Besar a. Tangki Pelarutan Kode Tugas Tipe Kondisi operasi Tekanan Suhu Dimensi Tangki : TP-01 : Mencampurkan sodium sulfite (Na 2 SO 3 ) dan air proses (H 2 O) :Tangki silinder vertical dengan torispherical dished : 1 atm : 80 ⁰C Diameter shell : 67,3010 in = 1,7094 m Tinggi shell Tebal shell : 100,9514 in = 2,5642 m : 0,1875 in Tinggi head : 14,2996 in = 0,3632 m Diameter reaktor : 67,3010 in = 1,7094 m Tinggi reaktor Pengaduk Tipe : 118,3425 in = 3,0059 m : Flat blade turbine impeller Diameter : 1,8695 ft = 0,5698 m Kecepatan putar Power Jumlah baffle Pemanas Pemanas Diameter jaket Tinggi jaket Jumlah steam : 125 rpm : 3 Hp : 4 buah : steam jacket : 1,7216 m : 2,5642 m : 239.864 kj/jam Harga : $ 11.642,07 b. Reaktor-01 (R-01) Kode : R-01

211 Tugas : Mereaksikan sodium sulfite (Na 2 SO 3 ) dan sulphur (S) membentuk sodium thiosulfate (Na 2 S 2 O 3 ) Tipe : Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB) Jumlah : 2 buah Volume : 38,002 m 3 Waktu Tinggal : 1 jam Bahan : Stainless stell (SA-167, tipe : 316 11) Kondisi Operasi Tekanan : 1 atm Suhu : 80 ⁰C Dimensi Diamater tangki : 120 in = 3,0480 m Tinggi tangki : 185,1535 in = 4,7029 m Tebal Shell : 0,25 in Dimensi head Bentuk : Torispherical dished head Tebal head : 0,25 in Tinggi head : 21,9255 in = 0,4772 m Tinggi total : 222,7283 in = 5,6573 m Pengaduk Tipe : Flat blade turbine impeller Diameter : 1,016 m Kecepatan : 68 rpm Power : 15 hp Koil Pendingin Pendingin : air Suhu masuk : 30 C Suhu keluar : 60 C Jumlah lilitan : 10 lilitan Diameter koil : 5,0836 ft = 1,8288 m

212 Tinggi koil : 5,167 ft = 1,5742 m Harga : $ 69.427,41 c. Reaktor-02 (R-02) Identik dengan Reaktor-01 d. Centrifuge-01 (CF-01) Kode : CF-01 Tugas : Memisahakan padatan S dari mother liquor nya Jenis : Continuous decanter centrifuge Jumlah : 1 Buah Kapasitas : 13.464,3405 kg/jam Kondisi Operasi Tekanan : 1 atm Suhu : 70 ⁰C Dimensi Diamater bowl : 18 in = 0,4572 m Panjang bowl : 72 in = 1,8288 m Motor Kecepatan putar : 3500 rpm Power : 50 HP Harga : $ 22.050,24 e. Evaporator-01 (EV-01) Kode : EV-01 Tugas : Menguapkan air dari produk reaktor Jenis : Normal circulation Bahan Kontruksi : Carbon steel Dimensi HE Diameter shell : 24 in = 0,610 m

213 Diameter tube : 0,75 in = 0,019 m Tinggi : 324,054 in = 8,231 m Dimensi Diplacement Vapor Diameter : 26,4526 in = 0,672 m Tebal shell : 0,1875 in = 0,005 m Tinggi : 131,7604 in = 3,3467 m Dimensi bottom Tipe : torispherical flanged bottom Tebal head : 0,1875 in = 0,005 m Tinggi head : 6,0944 in = 0,155 m Tinggi total : 455,8141 in = 11,5777 m Harga : $ 69.427,41 f. Evaporator-02 (EV-02) Identik dengan Evaporator-01 g. Crystallizer-01 (CR-01) Kode : CR-01 Tugas : Mengkristalkan sodium thiosulfate dalam aqueous menjadi padatan kristal Jenis : Swenzon-Walker Crystallizer Jumlah : 1 Buah Volume total : 1,3137 m 3 Bahan : Carbon steel Dimensi Crystallizer Diameter : 0,4729 m Tinggi : 0,2364 m Panjang total : 4,5720 m Kondisi operasi Tekanan : 1 atm

214 Suhu : 48 ⁰C Pengaduk Jenis : Motor induksi Kecepatan : 7 rpm Power : 0,1 HP Diameter : 0,3783 m Pendingin Media : air Jumlah : 14182 kg/jam Harga : $ 56.325,23 h. Centrifuge-02 (CF-02) Kode : CF-02 Tugas : Memisahakan kristal Na 2 S 2 O 3.5H 2 O dari mother liquor-nya Jenis : Continuous decanter centrifuge Jumlah : 1 Buah Kapasitas : 5.363,9154 kg/jam Kondisi Operasi Tekanan : 1 atm Suhu : 38 ⁰C Dimensi Diamater bowl : 24 in = 0,6096 m Panjang bowl : 96 in = 2,4348 m Motor Kecepatan putar : 3000 rpm Power : 125 HP Harga : $ 16.337,74 i. Rotary Dryer-01 (RD-01)

215 Kode : RD-01 Tugas : Mengeringkan Kristal sodium thiosulfate pentahydrat Jenis : Direct contact-counter current rotary dryer Jumlah : 1 unit Bahan kontruksi : stainless steel Kondisi operasi Tekanan : 1 atm Suhu : 80 C Dimensi Diameter : 1,5 m Panjang : 7,6166 m Kecepatan putar : 7 rpm Kemiringan : 0,00118 m/m Jumlah flight : 18 Waktu tinggal : 16,2 menit Daya : 40 Hp Harga : $ 31.241,65 j. Gudang Penyimpanan Na 2 SO 3 Kode : G-01 Tugas : Menyimpan bahan baku sodium sulfite (Na 2 SO 3 ) untuk operasi selama 1 bulan Waktu penyimpanan : 30 hari Jumlah : 1 unit Volume gudang : 1369,18 m 3 Kondisi penyimpanan Tekanan : 1 atm Suhu : 30 C Dimensi Diameter : 17,6268 m

216 Tinggi Lebar Tebal head : 10,7559 m : 8,8134 m : 0,625 in k. Gudang Penyimpanan S Kode : G-02 Tugas : Menyimpan bahan baku sulfur (S) untuk operasi selama 1 bulan Waktu penyimpanan : 30 hari Jumlah : 1 unit Volume gudang : 494,3625 m 3 Kondisi penyimpanan Tekanan : 1 atm Suhu : 30 C Dimensi Diameter : 12,5517 m Tinggi : 7,2486 m Lebar : 6,2758 m Tebal head : 0,625 in l. Gudang Penyimpanan Na 2 S 2 O 3.5H 2 O Kode : G-03 Tugas : Menyimpan produk sodium thiosulfat pentahidrat selama 1 bulan Waktu penyimpanan : 30 hari Jumlah : 1 unit Volume gudang : 4162,686 m 3 Kondisi penyimpanan Tekanan : 1 atm Suhu : 30 C

217 Dimensi Diameter Tinggi Lebar Tebal head : 25,5355 m : 16,2023 m : 12,7678 m : 0,75 in

218 3.2.2 Alat kecil a. Heat Exchanger Kode : HE-01 Fungsi : memanaskan umpan udara masuk ke rotary dryer Tipe : Double pipe Luas transfer : 52,7171 ft 2 Beban panas : 82.175,9794 kj/jam Spesifikasi Annulus Fluida : steam Kapasitas : 37,7982 kg/jam IPS : 2 in Sch. No : 40 OD : 2,38 in = 0,0605 m ID : 2,067 in = 0,0525 m ao : 3,35 in 2 = 0,0022 m 2 ho : 148,5919 Btu/jam.ft 2.F Pressure drop : 0,0021 psi Bahan : Carbon steel Inner pipe Fluida : udara Kapasitas : 7.252,3 kg/jam IPS : 1,25 in Sch. No : 40 OD : 1,66 in = 0,0422 m ID : 1,38 in = 0,0351 m ao : 1,5 in 2 = 0,001 m 2 hio : 118,7362 Btu/jam.ft 2.F Pressure drop : 3,7977 psi

219 Bahan : Carbon steel Uc : 53,9 Btu/jam.ft 2.F Ud : 21 Btu/jam.ft 2.F Panjang tube : 36,938 m Harpin : 4 Buah harpin Rd : 0,029 Harga : $ 15.994,99 b. Bin-01 Kode : B-01 Fungsi : Mengumpankan Na 2 S 2 O 3. 5 H 2 O sebelum ke gudang-03 Jenis : Tangki silinder vertical dengan conical bottom head Material : Carbon steel Volume : 46,2521 m 3 Tinggi total Diameter atas Diameter bawah Tebal shell Tebal head : 5,4886 m : 3,6591 m : 0,53 m : 0,25 in : 0,1875 in Harga : $ 21.935,99

22 Tabel 3.2 Spesifikasi Screw Conveyor Kode SC-01 SC-02 SC-03 SC-04 SC-05 SC-06 Fungsi Mengangkut Na 2 SO 3 dari gudang-01 ke tangki pelarutan-01 Mengangkut Sulfur dari gudang-02 ke reaktor- 01 Mengangkut Na 2 S 2 O 3.5H 2 O dari crystallizer-01 ke centrifuge- 02 Mengangkut Na 2 S 2 O 3.5H 2 O dari centrifuge-02 ke rotary dryer-01 Mengangkut Na 2 S 2 O 3.5H 2 O dari rotary dryer-01 ke Bin-01 Mengangkut Na 2 S 2 O 3.5H 2 O dari Bin-01 ke gudang-03 Jenis vertikal vertikal horizontal horizontal horizontal horizontal Jumlah 1 1 1 1 1 1 Kapasitas, ton/jam Diameter flight, in Diameter shaft, in Panjang, ft Power motor,hp 2,5919 0,6521 5,3639 5,0550 5,0505 5,0505 9 9 10 10 10 10 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 45 45 15 15 45 45 1,27 1,27 0,85 0,85 1,27 1,27 Harga $ 4,341.50 $ 4,341.50 $ 4,798.50 $ 4,798.50 $ 4,798.50 $ 4,798.50

221 Tabel 3.3 Spesifikasi Hopper Kode H-01 H-02 Fungsi Jenis Mengumpankan padatan Na 2 SO 3 ke tangki pelarutan-01 Tangki silinder vertikal dengan conical bottom head Mengumpankan padatan S ke reaktor-01 Tangki silinder vertikal dengan conical bottom head Volume, m 3 15,2132 5,6501 Diameter atas, m Diameter bawah, m 2,5276 1,8181 0,43 0,35 Tinggi, m 3,7915 2,7271 Tebal shell, in Tebal head, in 0,1875 0,1875 0,1875 0,1875

222 Tabel 3.4 Spesifikasi Pompa Kode P-01 P-02 P-03 P-04 P-05 P-06 Fungsi Mengalirkan umpan H 2 O dari utilitas ke tangki pelarutan Mengalirkan hasil tangki pelarutan ke reaktor Mengalirkan hasil reaktor ke centrifuge- 01 Mengalirkan hasil centrifuge- 01 ke evaporator Mengalirkan hasil dari evaporator ke crystallizer Mengalirkan filtrat hasil centrifuge- 02 ke UPL Jenis Sentrifugal Sentrifugal Sentrifugal Sentrifugal Sentrifugal Sentrifugal Jumlah 2 2 2 2 2 2 IPS, in 2,5 2,5 3 3 2 0,75 Sch. No 40 40 40 40 40 40 OD, in 2,88 2,88 3,5 3,5 2,38 1,05 ID,in 2,469 2,469 3,068 3,068 2,067 0,824 Kapasitas pompa, gpm Motor standar, HP 45 45 55 50 20 2 0,5 1,5 1 2 0,3 0,05 Harga $ 2,776.27 $ 2,776.27 $ 2,881.38 $ 2,707.72 $ 2,083.92 $ 4,165.55

223 1.3 Perencanaan Produksi 3.3.1 Kapasitas Perancangan Penentuan kapasitas perancangan suatu pabrik berdasarkan pada tingkat kebutuhan sodium thiosulfat pentahidrat yang ada di Indonesia, serta tersediannya bahan baku juga menentukan kapasitas minimal suatu pabrik yang akan dibangun. Dari pertimbangan yang ada menunjukkan bahwa kebutuhan akan sodium thiosulfat pentahidrat setiap tahunnya mengalami peningatan. Oleh karena itu untuk memenuhi kebutuhan sodium thiosulfat pentahidrat dan meminimalisir nilai impor maka didirikanlah pabrik sodium thiosulfat pentahidrat dengan kapasitas 40.000 ton/tahun. 3.3.2 Analisis Kebutuhan Bahan Baku Analisis bahan baku berkaitan dengan ketersediaan bahan baku terhadap kebutuhan kapasitas pabrik. Bahan baku Sodium sulfite 99% diperoleh dari pabrik PT Zhuzhou (China) dan bahan baku Sulfur 99,95% diperoleh dari pabrik PT Hezhou City Yaolong (China). Tabel 3.5 Kebutuhan Bahan Baku Komponen Kebutuhan (ton/tahun) Ketersediann Bahan Baku (ton/tahun) Na2SO3 (99%) S (99,95%) 301.850,6994 1.170.000 332.109,2996 (tidak terbatas)

224 Berdasarkan data yang telah dicantumkan diatas maka dapat disimpulkan bahwa ketersediaan bahan baku sodium sulfite dan sulfur dapat memenuhi kebutuhan pabrik, sehingga proses produksi dapat berjalan. 3.3.3 Analisis Kebutuhan Alat Proses Dalam hal analisis kebutuhan peralatan proses ini berkaitan dengan kemampuan peralatan yang menunjang kelancaran suatu proses berdasarkan umur peralatan dan pemeliharaan alat (maintenance). Dan diharapkan dengan adanya analisis kebutuhan alat proses ini pabrik dapat mengatur anggaran dan jenis peralatan apa yang cocok digunakan untuk pembuatan produk. Serta mengetahui cara perawatan untuk setiap alatnya.